universitas indonesia studi desain rotor generator...
TRANSCRIPT
i
UNIVERSITAS INDONESIA
STUDI DESAIN ROTOR GENERATOR SINKRONMAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL JENIS CAKRAM
SKRIPSI
EDO ADHI FITRADHANA0906603285
FAKULTAS TEKNIKPROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
DEPOKJANUARI 2012
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
i
UNIVERSITAS INDONESIA
STUDI DESAIN ROTOR GENERATOR SINKRONMAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL JENIS CAKRAM
SKRIPSIDiajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
EDO ADHI FITRADHANA0906603285
FAKULTAS TEKNIKPROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
DEPOKJANUARI 2012
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
ii
PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
Nama : Edo Adhi Fitradhana
NPM : 0906603285
Tanda Tangan :
Tanggal : 11 Januari 2012
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :Nama : Edo Adhi FitradhanaNPM : 0906603285Program Studi : Teknik ElektroJudul Skripsi : Studi Desain Rotor Generator Sinkron Magnet
Permanen Fluks Aksial Jenis Cakram
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterimasebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelarSarjana Teknik pada Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik,Universitas Indonesia.
DEWAN PENGUJI
Pembimbing : Ir. Agus R. Utomo, MT (...............................)
Penguji : Ir. Amien Rahardjo, MT (...............................)
Penguji : Dr. Ir. Ridwan Gunawan, MT (...............................)
Ditetapkan di : Depok
Tanggal : 11 Januari 2012
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
iv
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena atas berkah
dan rahmat-Nya saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi dilakukan
dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Elektro pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
Penulis menyadari bahwa tanpa bimbingan dan bantuan dari berbagai
pihak, dimulai dari masa perkuliahan sampai dengan penyusunan skripsi ini,
sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikan skripsi tepat pada waktunya.
Untuk itu saya mengucapkan terima kasih kepada :
1. Ir. Agus R. Utomo, MT selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan
waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan skripsi
ini.
2. Orang tua dan keluarga yang telah banyak memberikan bantuan dukungan
baik secara moral maupun material.
3. Sahabat, baik di lingkungan kampus maupun pergaulan yang telah
memberikan dukungan dalam menyelesaikan skripsi
Akhir kata, penulis berharap Allah SWT. berkenan membalas setiap
kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga skripsi ini membawa
manfaat untuk pengembangan ilmu kedepannya.
Depok, 11 Januari 2012
Penulis
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
v
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini :
Nama : Edo Adhi Fitradhana
NPM : 0906603285
Program Studi : Teknik Elektro
Departemen : Teknik Elektro
Fakultas : Teknik
Jenis karya : Skripsi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty-
Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :
“STUDI DESAIN ROTOR GENERATOR SINKRON MAGNET
PERMANEN FLUKS AKSIAL JENIS CAKRAM”
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti
Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan,
mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database),
merawat, dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan
nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Depok
Pada tanggal : 11 Januari 2012
Yang menyatakan
( Edo Adhi Fitradhana )
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
vi
ABSTRAK
Nama : Edo Adhi FitradhanaProgram Studi : Teknik ElektroJudul : STUDI DESAIN ROTOR GENERATOR SINKRON
MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL JENISCAKRAM
Rotor magnet permanen adalah rotor dari mesin listrik, dalam hal inimesin sinkron tanpa penguat eksternal karena penguatnya berasal dari magnetpermanen itu sendiri.
Pada Studi Desain Rotor Generator Sinkron Magnet Permanen FluksAksial Jenis Cakram, dalam hal ini pengaruh jarak antar kutub magnet permanensangat berpengaruh terhadap distribusi fluks magnetnya sendiri. Selainberpengaruh terhadap distribusi fluks, jarak antar kutub magnet permanen jugaberpengaruh secara tidak langsung terhadap dimensi rotor dan dimensi mesinsinkron secara keseluruhan.
Kata Kunci :Rotor, generator sinkron magnet permanen fluks aksial,jarak antar kutub magnet permanen, distribusi fluks magnet
ABSTRACT
Name : Edo Adhi FitradhanaStudy Program : Electrical EngineeringTitle : DESIGN STUDY OF ROTOR ON AXIAL FLUX
PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUSGENERATOR DISC TYPE
Rotor permanent magnet is the rotor from electric machine, in term ofsynchronous machine without external exciter because the exciter come from itpermanent magnet self.
Design Study of Rotor on Axial Flux Permanent Magnet SynchronousGenerator Disc Type, impact of distance between permanent magnet polarity washighly correlated to magnet flux distribution itself. In addition, distance betweenpermanent magnet polarity also influencing indirectly into rotor dimension anddimension of sychronized machine thoroughly.
Key word :Rotor, axial flux permanent magnet synchronous generator,distance between permanent magnet polarity,magnet flux distribution
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
vii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL...................................................................................... iHALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS........................................... iiHALAMAN PENGESAHAN........................................................................ iiiKATA PENGANTAR.................................................................................... ivHALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI..................... vABSTRAK..................................................................................................... viABSTRACT................................................................................................... viDAFTAR ISI.................................................................................................. viiDAFTAR GAMBAR..................................................................................... ixDAFTAR TABEL.......................................................................................... xiBAB I PENDAHULUAN............................................................................. 1
1.1 Latar Belakang Masalah...................................................................... 11.2 Tujuan.................................................................................................. 11.3 Rumusan Masalah................................................................................ 11.4 Batasan Masalah.................................................................................. 11.5 Metodologi Penelitian.......................................................................... 21.6 Sistematika Penulisan.......................................................................... 2
BAB II MESIN SINKRON.......................................................................... 32.1 Prinsip Dasar Mesin Sinkron............................................................... 3
2.1.1 Definisi......................................................................................... 32.1.2 Konstruksi Dasar Mesin Sinkron................................................. 3
2.1.2.1 Stator/Kumparan Jangkar..................................................... 42.1.2.2 Rotor/Kumparan Medan....................................................... 62.1.2.3 Arus Penguat/Eksitasi.......................................................... 10
2.2 Prinsip Kerja Dan Karakteristik Mesin Sinkron.................................. 132.2.1 Kecepatan Sinkron....................................................................... 132.2.2 Generator Sinkron Tanpa Beban.................................................. 142.2.3 Generator Sinkron Berbeban........................................................ 152.2.4 Reaksi Jangkar............................................................................. 162.2.5 Reaktansi Sinkron........................................................................ 17
BAB III GENERATOR SINKRON MAGNET PERMANEN FLUKSAKSIAL (MPFA) JENIS CAKRAM........................................... 19
3.1 Definisi Generator Sinkron Magnet Permanen................................... 193.2 Topologi Dan Geometri....................................................................... 203.3 Struktur dan Material Generator Sinkron MPFA................................ 22
3.3.1 Magnet Permanen Pada Rotor..................................................... 223.3.2 Kumparan pada Stator................................................................. 24
3.4 Prinsip Generator Sinkron MPFA....................................................... 253.4.1 Rangkaian Magnetik Pada Generator Sinkron MPFA Satu Sisi
Dengan Stator Tanpa Inti.............................................................. 253.4.2 Lilitan Pada Stator Tanpa Inti...................................................... 26
3.5 Karakteristik Generator Sinkron MPFA.............................................. 273.5.1 Kemampuan Daya Putar (Torsi).................................................. 273.5.2 Fluks Magnetik............................................................................ 273.5.3 Torsi Elektromagnetik Dan EMF................................................ 28
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
viii
3.6 Karakteristik Performa Generator Sinkron MPFA.............................. 293.7 Kurva B-H Material Magnet................................................................ 31
BAB IV SIMULASI DESAIN ROTOR GENERATOR SINKRONMPFA JENIS CAKRAM.............................................................. 32
4.1 Pengaruh Jenis Material Magnet Permanen Terhadap DistribusiKerapatan Fluks (B) Pada Celau Udara (air gap)............................... 33
4.2 Pengaruh Lebar Celah Udara (g) Terhadap Distribusi KerapatanFluks (B) Pada Celah Udara (air gap)................................................. 34
4.3 Pengaruh Jarak Antar Magnet Permanen (Xmp) Terhadap DistribusiKerapatan Fluks (B) Pada Celah Udara (air gap)............................... 36
4.4 Optimasi Dimensi Rotor...................................................................... 384.5 Pengaruh Jarak Antar Magnet Permanen (Xmp) Terhadap Nilai
Eksitasi Fluks (Φf)............................................................................... 394.6 Studi Kasus Rotor Generator Sinkron MPFA..................................... 40
BAB V KESIMPULAN................................................................................ 41DAFTAR PUSTAKA.................................................................................... 42
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Kontruksi dasar mesin sinkron................................................... 4Gambar 2.2. (a) Laminasi stator, (b) Beberapa kumparan dalam slot............ 5Gambar 2.3. Rangka stator beserta kumparan jangkarnya............................. 6Gambar 2.4. Rotor kutub sepatu/kutub menonjol (salient pole)..................... 8Gambar 2.5. Rotor kutub sepatu pada generator 4 kutub............................... 8Gambar 2.6. Rotor kutub silinder (non-salient pole/cylindrical rotor)........... 9Gambar 2.7. Rotor kutub silinder pada generator 4 kutub.............................. 10Gambar 2.8. Kurva karakteristik dan rangkaian ekivalen generator tanpa
Beban......................................................................................... 15Gambar 2.9. Rangkaian ekivalen dan diagram vektor generator berbeban.... 15Gambar 2.10. Pengaruh reaksi jangkar untuk berbagai macam jenis beban.. 16Gambar 2.11. Kurva pengujian tanpa beban dan hubung singkat generator
Sinkron..................................................................................... 18Gambar 3.1. Topologi dasar generator MPFA (a) generator sisi tunggal
dengan slot (b) generator dua sisi tanpa slot dengan statorinternal diapit dua rotor magnet permanen (c) generator duasisi dengan slot stator dan rotor magnet permanen internal(d) generator dua sisi dengan stator internal tanpa inti. 1-intistator, 2-lilitan stator, 3-rotor, 4-magnet permanen, 5-bingkai, 6- bearing, 7-poros.................................................... 21
Gambar 3.2. Bagian-bagian generator sinkron MPFA tanpa sikat dengankumparan film sebagai stator tanpa inti dan sistem eksitasirotor magnet permanen satu sisi............................................. 22
Gambar 3.3. Perbedaan kurva histerisis antara magnet permanen (magnetbahan keras) dengan magnet induksi (magnet bahan lunak).. 22
Gambar 3.4. Kurva karakteristik histerisis magnetik beberapa materialmagnet permanen.................................................................... 24
Gambar 3.5. Diagram koneksi lilitan sembilan kumparan dengan tipe tigafasa dari sebuah generator MPFA........................................... 25
Gambar 3.6. Lilitan tiga fasa, polaritas magnet permanen dan jalur fluksmagnet dari generator MPFA dua sisi dengan stator tanpainti........................................................................................... 25
Gambar 3.7. Lilitan tanpa inti dari sebuah generator MPFA tiga fasadengan delapan kutub dan dua rotor eksternal........................ 26
Gambar 3.8. Karakteristik generator sinkron MPFA tunggal untuk bebaninduktif.................................................................................... 30
Gambar 3.9. Kurva B-H saturasi dari 3 material magnet............................. 31Gambar 4.1. Algoritma studi desain rotor GSMP FA.................................. 32Gambar 4.2. Distribusi kerapatan fluks material magnet permanen
Alnico 5................................................................................... 33Gambar 4.3. Distribusi kerapatan fluks material magnet permanen
Ceramic 5................................................................................ 33Gambar 4.4. Kurva B-H magnet permanen Alnico 5................................... 34Gambar 4.4. Kurva B-H magnet permanen Ceramic 5................................ 34
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
x
Gambar 4.6. Perbandingan pengaruh lebar celah udara (g) terhadap nilaikerapatan fluks........................................................................ 35
Gambar 4.7. Perbandingan pengaruh lebar celah udara (g) terhadapdistribusi kerapatan fluks........................................................ 35
Gambar 4.8. Perbandingan pengaruh jarak antar magnet (Xmp) terhadapdistribusi kerapatan fluks........................................................ 37
Gambar 4.9. Penampang (yoke) rotor magnet permanen bentuk lingkaran. 38
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1.Spesifikasi beberapa material magnet permanen........................... 23Tabel 4.1.Pengaruh jarak antar magnet permanen dan lebar celah udara
terhadap nilai puncak kerapatan fluks pada celah udara................ 36Tabel 4.2.Pengaruh jarak antar magnet permanen terhadap nilai eksitasi
fluks magnet................................................................................... 40
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
1Universitas Indonesia
BAB IPENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
1. Memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan untuk membangkitkan
energi listrik.
2. Mengembangkan desain generator untuk aplikasi konversi sumber-sumber
energi alternatif (terbarukan).
3. Mengembangkan desain generator sinkron magnet permanen.
1.2 Tujuan
1. Mengembangkan desain Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks
Aksial (GSMPFA) tipe cakram.
2. Studi desain rekayasa rotor magnet permanen.
3. Studi optimasi desain dimensi generator.
1.3 Rumusan Masalah
Dalam Studi Desain Rotor Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks
Aksial Jenis Cakram ini akan dibahas tentang hal-hal sebagai berikut :
1. Definisi dan prinsip kerja generator sinkron magnet permanen fluks aksial.
2. Bagaimana karakteristik dan parameter dari generator sinkron magnet
permanen fluks aksial jenis cakram.
3. Apa saja bagian-bagian dan material penyusun generator magnet permanen
fluks aksial.
4. Faktor-faktor apa yang harus diperhatikan dalam mendesain rotor
generator magnet permanen fluks aksial jenis cakram.
5. Bagaimana cara mendesain rotor generator sinkron magnet permanen fluks
aksial sehingga dapat bekerja secara optimal.
1.4 Batasan Masalah
1. Tipe generator yang menjadi studi desain adalah generator sinkron magnet
permanen fluks aksial jenis cakram satu sisi dengan stator tanpa inti
(coreless).
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
2
Universitas Indonesia
2. Magnet permanen yang digunakan berbentuk lingkaran dengan permukaan
datar dan dipasang secara surface mount.
3. Analisis dalam studi ini dibantu dengan perangkat lunak Finite Element
Method Magnetics (FEMM) versi 4.2.
1.5 Metodologi Penelitian
1. Studi Literatur
Membaca literatur berupa buku-buku, karya ilmiah, dan browsing Internet
untuk mendapatkan data-data yang dibutuhkan dalam pembuatan alat dan
sebagai dasar penulisan dan penyusunan laporan skripsi.
2. Pembuatan Prototype
Menyediakan material yang dibutuhkan dan membuat prototype
berdasarkan studi literatur.
3. Pengujian Prototype
Menguji hasil pembuatan prototype. Selanjutnya hasil pengujian
dibandingkan dengan literatur dan dianalisis.
4. Analisis dengan pendekatan matematis dan gambar menggunakan
perangkat lunak FEMM 4.2.
5. Penyusunan Laporan
Membuat suatu laporan yang berisi penjelasan tentang studi yang
dilakukan
1.6 Sistematika Penulisan
Bab pertama merupakan pendahuluan yang berisi latar belakang masalah,
tujuan, rumusan masalah, batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika
penulisan. Bab kedua merupakan landasan teori dari mesin sinkron, yang berisi
penjelasan secara garis besar tentang mesin listrik dan dikhususkan pada generator
sinkron. Pada bab ketiga pembahasan difokuskan pada generator sinkron magnet
permanen fluks aksial jenis cakram satu sisi dengan stator tanpa inti. Bab keempat
menguraikan analisis desain khususnya desain rotor berbasis komputer
menggunakan perangkat lunak FEMM 4.2. Bab kelima merupakan bab terakhir
yang berisi kesimpulan dari studi yang dilakukan.
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
3Universitas Indonesia
BAB IIMESIN SINKRON
2.1 Prinsip Dasar Mesin Sinkron
2.1.1 Definisi
Mesin sinkron adalah suatu peralatan listrik dinamis yang bisa
mengkonversi daya mekanik menjadi daya listrik bolak-balik (generator sinkron)
dan mengkonversi daya listrik bolak-balik menjadi daya mekanik (motor sinkron).
Disebut mesin sinkron karena frekuensi putaran elektrik yang dihasilkan sama
(sinkron) dengan putaran mekanik rotor. [1]
Mesin sinkron biasa dioperasikan sebagai generator (alternator) terutama
untuk sistem daya besar seperti generator turbin dan generator hidroelektrik pada
sistem pembangkit terdistribusi. Karena kecepatan rotor sebanding dengan
frekuensi eksitasi, motor sinkron dapat diaplikasikan untuk keadaan dimana
kontrol kecepatan konstan dibutuhkan.
Selain itu, daya reaktif yang dihasilkan oleh mesin sinkron juga dipasang
sendirian pada sistem pembangkit untuk perbaikan faktor daya atau mengontrol
aliran kVA reaktif. Mesin tersebut dikenal dengan kondenser sinkron, yang secara
ukuran lebih ekonomis dibandingkan dengan kapasitor statis.
Penggerak utama (prime mover) mesin sinkron berkecepatan tinggi
umumnya adalah turbin uap yang menggunakan bahan bakar fosil atau tenaga
nuklir. Sedangkan pada mesin sinkron berkecepatan rendah penggerak utamanya
berupa turbin hidro dengan tenaga air sebagai pembangkitnya. Terkadang, mesin
sinkron dalam skala kecil dipakai untuk pembangkit sendiri dan unit cadangan,
dengan turbin gas atau mesin diesel sebagai penggerak utama. [2]
Mesin sinkron dibagi menjadi 2 jenis :
a. Mesin sinkron 1 fasa
b. Mesin sinkron 3 fasa
2.1.2 Kontruksi Dasar Mesin Sinkron
Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron sama dengan kontruksi
motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin sinkron. Pada dasarnya
mesin sinkron terdiri dari tiga komponen utama, yaitu :
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
4
Universitas Indonesia
1. Stator
Disebut sebagai kumparan jangkar (angker) yang berfungsi menghasilkan
tegangan dan arus bolak-balik (Alternating Current).
2. Rotor
Disebut sebagai kumparan medan magnet yang berfungsi menginduksikan
medan magnet berputar pada stator.
3. Arus Penguat (Eksitasi)
Berupa arus searah (Direct Current) yang berasal dari sumber luar
(external source) kemudian dialirkan ke dalam rotor yang berputar melalui
cincin geser (slip ring) dan sikat (brushes). Arus penguat berfungsi untuk
memperkuat medan magnet yang dihasilkan pada kumparan medan
(rotor).
Gambar 2.1.Kontruksi dasar mesin sinkron [1]
2.1.2.1 Stator/Kumparan Jangkar
Stator (disebut juga armatur) adalah bagian generator yang berfungsi
sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju
ke beban disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
5
Universitas Indonesia
silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam,
oleh karena itu komponen ini disebut dengan stator.
Stator pada generator sinkron 3 fasa bisa terhubung secara delta (∆)
ataupun bintang (Y). Stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu :
1. Rangka stator.
Merupakan rumah (kerangka) yang menyangga inti jangka generator.
2. Inti stator
Terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetik khusus
yang terpasang ke rangka stator
3. Alur (slot) dan gigi
Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator
4. Kumparan stator (kumparan jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini
merupakan tempat timbulnya ggl induksi.
(a) (b)
Gambar 2.2.(a) Laminasi stator, (b) Beberapa kumparan dalam slot [4]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
6
Universitas Indonesia
Gambar 2.3.Rangka stator beserta kumparan jangkarnya [4]
2.1.2.2 Rotor/Kumparan Medan
Rotor merupakan bagian yang ikut berputar pada generator. Pada
generator sinkron, rotor pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar.
Rotor terdiri dari beberapa bagian utama, yaitu :
1. Slip ring (cincin geser)
Merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan
oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke slip ring
kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush) yang
letaknya menempel pada slip ring.
Sikat (brush) merupakan sebuah blok yang terbuat dari bahan campuran
karbon mirip grafit yang mampu mengonduksikan listrik secara bebas
tetapi minim pergeseran, sehingga tidak membuat aus cincin geser. Jika
kutub positif sumber tegangan DC (arus searah) dihubungkan ke salah satu
sikat dan kutub negatif dihubungkan ke sikat lainnya, maka tegangan DC
yang sama akan diberikan ke kumparan medan setiap saat tanpa
tergantung posisi angular atau kecepatan rotor.
Cincin geser dan sikat memiliki beberapa masalah :
- Meningkatkan jumlah bagian mesin yang membutuhkan perawatan,
karena sikat harus diperiksa keausannya secara rutin.
- Tegangan jatuh pada sikat dapat mengakibatkan rugi daya yang
signifikan pada mesin dengan medan arus yang besar.
Bila pada mesin sinkron kecil menggunakan cincin geser dan sikat, maka
pada mesin sinkron ukuran besar menggunakan pembangkit tanpa sikat
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
7
Universitas Indonesia
untuk mensuplai medan arus DC. Pembangkit tanpa sikat adalah generator
AC kecil dengan rangkaian medan yang diletakkan pada stator dan
rangkaian jangkarnya diletakkan pada poros stator. Keluaran tiga fasa dari
generator pembangkit kemudian disearahkan menjadi arus searah oleh
penyearah tiga fasa yang juga diletakkan pada poros generator, selanjutnya
diumpankan ke rangkaian medan DC utama. Dengan mengatur medan arus
DC dari generator pembangkit (yang terletak di stator), maka medan arus
pada mesin utama dapat diatur tanpa menggunakan cincin geser dan sikat.
Karena tidak terjadi kontak mekanik antara rotor dan stator, pembangkit
tanpa sikat membutuhkan perawatan yang lebih mudah.
2. Kumparan rotor (kumparan medan)
Merupakan unsur yang memegang peranan utama dalam menghasilkan
medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi
tertentu.
3. Poros rotor
Merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros rotor
tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor.
Ada dua bentuk rotor, yaitu rotor kutub sepatu/kutub menonjol (salient
pole) dan rotor kutub silinder (non-salient pole/cylindrical rotor).
1. Rotor kutub sepatu/kutub menonjol (salient pole)
Pada jenis ini, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor.
Kumparan pada setiap kutub dihubungkan secara seri. Ketika kumparan
ini disuplai oleh eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk
kutub berlawanan.
Rotor kutub sepatu umumnya digunakan pada generator sinkron
dengan kecepatan putar rendah-sedang (120-400rpm) dan berkutub banyak
(≥4). Oleh sebab itu generator sinkron tipe ini biasanya dikopel dengan
mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik.
Jumlah kutub yang dibutuhkan di rotor jenis ini sangat banyak.
Sehingga dibutuhkan diameter yang besar untuk memuat kutub yang
sangat banyak tersebut
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
8
Universitas Indonesia
Rotor kutub sepatu cocok digunakan untuk putaran rendah-sedang
karena :
- Akan mengalami rugi-rugi angin (gesekan angin) yang besar dan
bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.
- Tidak cukup kuat menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan
kecepatan tinggi.
Selain itu distribusi fluks magnet pada rotor kutub sepatu cenderung
berbentuk persegi dan belum mendekati sinusoidal sehingga menimbulkan
harmonisasi.
Gambar 2.4. Rotor kutub sepatu/kutub menonjol (salient pole) [1]
Gambar 2.5. Rotor kutub sepatu pada generator 4 kutub [4]
2. Rotor kutub silinder (non-salient pole/cylindrical rotor)
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
9
Universitas Indonesia
Pada jenis ini, kontruksi kutub magnet rata dengan permukaan
rotor. Rotor jenis ini terbuat dari baja tempa padat yang mempunyai slot
dan gigi disepanjang pinggiran luarnya seperti halnya stator. Kumparan
medan pada rotor kutub silinder diletakkan di dalam slot ini. Disekitar
daerah pusat kutub umumnya tidak mempunyai slot.
Rotor kutub silinder biasanya digunakan pada generator putaran
tinggi (1500 atau 3000rpm) dan berkutub sedikit (≤4). Rotob kutub
silinder lebih panjang daripada rotor kutub sepatu. Diameter rotor kutub
silinder tidak sebesar rotor kutub sepatu untuk mengurangi gaya
sentrifugal yang muncul pada kecepatan putar tinggi.
Rotor kutub silinder cocok digunakan pada putaran tinggi karena :
- Kontruksinya memiliki kekuatan mekanik yang baik pada kecepatan
putar tinggi.
- Tidak menghasilkan gesekan angin yang berlebihan.
Selain itu, distribusi fluks magnet yang dihasilkan lebih mendekati
sinusoidal sehingga akan menghasilkan bentuk gelombang tegangan yang
lebih baik. [3][4]
Gambar 2.6. Rotor kutub silinder (non-salient pole/cylindrical rotor) [1]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
10
Universitas Indonesia
Gambar 2.7. Rotor kutub silinder pada generator 4 kutub [4]
2.1.2.3 Arus Penguat (Eksitasi)
Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron,
sistem eksitasi terdiri dari atas 2 jenis yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan
sikat (brush excitation) dan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless
excitation).
Ada 2 jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat, yaitu :
1. Sistem eksitasi konvensional (menggunakan generator arus searah)
Untuk sistem eksitasi yang konvensional, arus searah diperoleh
dari sebuah generator arus searah berkapasitas kecil yang disebut eksiter.
Generator sinkron dan generator arus searah tersebut terkopel dalam satu
poros, sehingga putaran generator arus searah sama dengan putaran
generator sinkron.
Tegangan yang dihasilkan oleh generator arus searah ini diberikan
ke belitan rotor generator sinkron melalui sikat karbon dan slip ring.
Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan dan
menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan
tegangan arus bolak-balik. Dalam keadaan ini apabila generator diputar
oleh penggerak mula maka dibangkitkan tegangan bolak-balik pada
kumparan utama yang terletak di stator generator sinkron.
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
11
Universitas Indonesia
Pada generator konvensional ada beberapa kerugian yaitu:
- Generator arus searah merupakan beban tambahan untuk penggerak
mula.
- Penggunaan slip ring dan sikat menimbulkan masalah ketika
digunakan untuk mensuplai sumber arus searah pada belitan medan
generator sinkron.
- Terdapat sikat arang yang menekan slip ring sehingga timbul rugi
gesekan pada generator utamanya.
- Selain itu pada generator arus searah juga terdapat sikat karbon yang
menekan komutator.
- Selama pemakaian, slip ring dan sikat harus diperiksa secara teratur,
generator arus searah juga memiliki keandalan yang rendah.
2. Sistem eksitasi statis (static excitation system)
Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak
bergerak (static), artinya peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama
dengan rotor generator sinkron. Sistem eksitasi statis atau self excitation
tidak memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator
sinkron. Sumber eksitasi berasal dari tegangan output generator itu sendiri
yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan penyearah
thyristor.
Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa yang akan
menimbulkan tegangan pada stator, tegangan ini kemudian masuk dalam
penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor, akibatnya medan magnet
yang dihasilkan makin besar dan tegangan AC akan naik demikian
seterusnya sampai dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut.
Biasanya penyearah tersebut mempunyai pengatur sehingga tegangan
generator dapat diatur konstan.
Dibandingkan generator sistem konvensional, generator system
eksitasi statis jauh lebih baik karena tidak ada generator arus searah (yang
keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada penggerak
utama dihilangkan. Eksiter diganti dengan eksiter yang tidak berputar
yaitu penyearah.
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
12
Universitas Indonesia
Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem
eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena
generator sinkron tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk
mensuplai kumparan medan.
Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat terdiri dari :
1. Sistem eksitasi menggunakan baterai
Arus searah untuk suplai eksitasi untuk awal start generator
digunakan suplai dari baterai. Kemudian arus ini disalurkan ke medan AC
exciter. Tegangan keluaran generator sinkron disearahkan oleh penyearah
berupa dioda yang disebut rotating rectifier, yang diletakkan pada bagian
poros ataupun pada bagian dalam dari rotor generator sinkron, sehingga
rotating rectifier tersebut ikut berputar sesuai dengan putaran rotor.
Untuk menghindari adanya kontak geser pada bagian rotor
generator sinkron, maka penguat medan generator dirancang supaya arus
searah yang dihasilkan dari penyearah langsung disalurkan ke bagian
belitan medan dari generator utama. Hal ini dimungkinkan karena dioda
penyearah ditempatkan pada bagian poros yang dimiliki bersama-sama
oleh rotor generator utama dan penguat medannya. Arus medan pada
generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan
generator penguat (Eksiter).
Setelah tegangan generator mencapai tegangan nominalnya maka
catu daya DC (baterai) biasanya dilepas dan digantikan oleh Penyearah.
Penguatan yang dipakai adalah sistem self exitation system yaitu sistem
dimana sumber daya untuk penguatnya diperoleh dari keluaran tiga fasa
generator itu sendiri.
2. Sistem eksitasi menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG)
Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor adalah
dengan menggunakan magnet permanen yang diletakkan pada poros
generator. Sistem eksitasi ini biasanya digunakan pada generator sinkron
berskala kecil. Hal ini bertujuan agar sistem eksitasi dari generator sama
sekali tidak tergantung pada sumber daya listrik dari luar mesin.
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
13
Universitas Indonesia
Pada rotor terdapat magnet permanen, kumparan jangkar generator
eksitasi, kumparan medan generator utama. Hal ini memungkinkan
generator tersebut tidak menggunakan slip ring dan sikat dalam
pengoperasiannya sehingga lebih efektif dan efisien. [5]
2.2 Prinsip Kerja Mesin Sinkron
Arus penguat (eksitasi) berupa arus DC dialirkan ke kumparan medan
(rotor) sehingga membangkitkan medan magnet pada rotor tersebut. Kemudian
rotor digerakkan oleh tenaga penggerak utama (prime mover) sehingga pada rotor
akan timbul medan magnet putar atau fluks yang bersifat bolak balik. Medan
magnet putar ini akan memotong stator yang mengakibatkan timbulnya gaya
gerak listrik (GGL) karena pengaruh induksi dari fluks putar tersebut. GGL yang
timbul pada stator juga bersifat bolak balik dan berputar dengan kecepatan
sinkron terhadap kecepatan putar rotor. [1][3]
2.2.1 Kecepatan Sinkron
Ketika rotor berputar, medan magnet yang dihasilkan juga berputar dengan
kecepatan yang sama. Karena medan magnet putar tersebut diinduksikan pada
kumparan jangkar (stator), maka pada stator terbangkitkan tegangan induksi
bolak balik (sinusoidal) AC 3 fasa dengan frekuensi elektrik yang sama pula
(sinkron).
Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin sinkron
dengan frekuensi elektrik pada stator adalah :
1202pnf (2.1)
Dimana :
f = Frekuensi eletrik (Hz)
n = Kecepatan mekanik rotor (rpm)
2p = Jumlah kutub
p = Jumlah pasangan kutub [1][2]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
14
Universitas Indonesia
2.2.2 Generator Sinkron Tanpa Beban
Besarnya tengangan induksi yang dibangkitkan pada stator diturunkan dari
Hukum Faraday yang menyatakan gaya gerak listrik induksi :
inddΦ
E Ndt
(2.2)
SinωtmaksdΦE Ndt
ω CosωmaksN Φ t (ω 2π )f
(2π ) CosωmaksN f Φ t 2120
pnf
2π Cosω120 maks2pnN Φ t
2.3,14. Cosω120 maks2pn Φ t
(2.3,14.120maks maks2pnE N Φ
(2.3,14. )120
2 2
maksmaks
eff rms
2pnN ΦEE E
8,88120NnpΦ
8,88( )
120Np K
effE KnΦ (2.3)
Dimana :
E = Gaya gerak listrik (volt)
N = Jumlah lilitan
K = Konstanta
2p = Jumlah kutub
p = Jumlah pasangan kutub
n = Putaran sinkron (rpm)
Φ = Fluks magnetik (Weber)
F = Frekuensi sinkron (Hz)
dΦdt
= Laju fluks magnet (W/s) [3]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
15
Universitas Indonesia
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator,
sehingga tidak ada pengaruh reaksi jangkar. Fluks hana dihasilkan oleh arus
medan (If). Jika arus medan diubah-ubah harganya maka akan diperoleh harga Eo.
Gambar 2.8. Kurva karakteristik dan rangkaian ekivalen generator tanpa
beban [1]
b – a = Tahanan arus beban pada daerah jenuh (saturated)
Ra = Resistansi jangkar (stator)
Xs = Reaktansi sinkron [1]
2.2.3 Generator Sinkron Berbeban
Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan
terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar bersifat reaktif, oleh sebab itu
dinyatakan sebagai reaktansi dan disebut reaktansi magnet (Xm). Reaktansi magnet
dan reaktansi fluks bocor (Xa) disebut reaktansi sinkron (Xs).
Gambar 2.9. Rangkaian ekivalen dan diagram vektor generator berbeban [1]
Persamaan tegangan dari model rangkaian pada Gambar 2.9. adalah :
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
16
Universitas Indonesia
a a s
s m a
E V IR jIXX X X
(2.4)
Dimana
Ea = Tegangan induksi pada jangkar (Volt)
V = Tegangan terminal output (Volt)
Ra = Resistansi jangkar (Ohm)
Xs = Reaktansi sinkron (Ohm)
Xa = Reaktansi fluks bocor (Ohm)
Xm = Reaktansi magnet (Ohm) [1]
2.2.4 Reaksi Jangkar
Apabila generator singkron (alternator) diberi beban, maka pada kumparan
jangkar stator mengalir arus dan arus ini menimbulkan fluks jangkar. Fluks
jangkar ini kemudian mempengaruhi fluks arus medan dan akhirnya
menyebabkan berubahnya harga tegangan generator sinkron. Fluks jangkar yang
ditimbulkan arus (ΦA) akan berinteraksi dengan yang dihasilkan kumparan medan
rotor (ΦF), sehingga menghasilkan fluks resultan (ΦR).
ΦR = ΦA + ΦF ; jumlah secara vektor
Pengaruh yang ditimbulkan dapat berupa distorsi, penguatan (magnetising)
dan pelemahan (demagnetising) fluks arus medan.
Adanya interaksi ini dikenal sebagai reaksi jangkar. Pengaruh reaksi jangkar
untuk berbagai macam jenis beban adalah sebagai berikut :
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E)
Jenis beban : tahanan (resistif)
ΦA tegak lurus terhadap ΦF, pengaruh reaksi
jangkar terhadap fluks medan hanya sebatas
mendistorsi saja tanpa mempengaruhi kekuatannya
(cross magnetising)
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
17
Universitas Indonesia
Gambar 2.10. Pengaruh reaksi jangkar untuk berbagai macam jenis beban [6]
Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif), pengaruh reaksi jangkar akan
menjadi sebagian magnetising dan sebagian demagnetising. Saat beban kapasitif,
maka reaksi jangkar akan sebagian distorsi dan sebagian magnetising. Sementara
saat beban induktif, maka reaksi jangkar akan sebagian distorsi dan sebagian
demagnetising. Namun pada prakteknya beban umumnya induktif. [3][6]
2.2.5 Reaktansi Sinkron
Harga reaktansi sinkron (Xs) diperoleh dari dua macam percobaan yaitu
percobaan tanpa beban dan percobaan hubungan singkat.
Arus jangkar (I) mendahului sebesar θ dari GGL
(E)
Jenis beban : kapasitif
ΦA terbelakang dengan sudut (90o - θ)
Arus jangkar (I) mendahului sebesar 90o dari GGL
(E)
Jenis beban : kapasitif murni (cosφ = 0 lead)
ΦA memperkuat ΦF, terjadi pengaruh magnetising
Arus jangkar (I) tertinggal sebesar 90o dari GGL
(E)
Jenis beban : induktif murni (cosφ = 1 lag)
ΦA memperlemah ΦF, terjadi pengaruh
demagnetising
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
18
Universitas Indonesia
a. Percobaan tanpa beban akan menghasilkan harga tegangan tanpa beban
(Eo) sebagai fungsi arus penguat/eksitasi (If). Kedua harga ini adalah harga
nominal (rating) suatu mesin (generator) sinkron.
- Kurvanya berupa garis linear (pada kondisi awal hingga mencapai
kejenuhan)
- Kurva akan segera melengkung (non linear) setelah mencapai
kejenuhan.
Kurva yang dipakai adalah kurva linearnya (unsaturated), karena
kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sudah dikompensasi oleh
adanya reaksi jangkar.
b. Percobaan hubungan singkat akan menghasilkan hubungan antara arus
jangkar (I) dengan arus medan (If) yang berupa garis lurus (Ihs).[1][6]
Gambar 2.11. Kurva pengujian tanpa beban dan hubung singkatgenerator sinkron [1]
Nilai impedansi suatu generator sinkron (Zs):
2 2 os S S
hs
EZ R XI
(2.5)
Karena Xs >> Rs, maka harga reaktansi sinkron (Xs) dihitung dengan persamaan :
'o
shs
E O aXI O b
(2.6)
Dimana :
Zs = Impedansi generator sinkron (ohm)
Xs = Reaktansi Sinkron (ohm)
Rs = Resistansi generator sinkron (ohm) [1][7]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
19Universitas Indonesia
BAB IIIGENERATOR SINKRON MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL
JENIS CAKRAM
3.1 Definisi Generator Sinkron Magnet Permanen
Generator merupakan suatu mesin yang dapat mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik. Generator sinkron adalah generator yang menghasilkan
frekuensi arus listrik yang sebanding dengan kecepatan rotasi mekanik. Sehingga
bila digabungkan definisi keduanya, maka generator sinkron magnet permanen
adalah generator sinkron yang menggunakan material magnet permanen sebagai
pengganti kumparan medan pada rotor sehingga tidak diperlukan adanya
pembangkit (exciter) dan sikat.
Generator sinkron magnet permanen tetap terdiri dari dua bagian utama
sebagaimana generator sinkron pada umumnya, yaitu rotor (bagian yang berputar)
dan stator (bagian yang diam). Perbedaan utama dari generator sinkron magnet
permanen dengan generator sinkron biasa adalah pada cara pembangkitan (sistem
eksitasi) fluks magnetik, yaitu pada generator sinkron magnet permanen fluks
magnet dari rotor dibangkitkan oleh magnet permanen dengan kekuatan dan
spesifikasi tergantung dari material magnet yang digunakan. Sedangkan pada
generator sinkron biasa fluks magnet dari rotor dibangkitkan oleh tegangan DC
yang diberikan ke kumparan medan melalui cincip geser dan sikat.
Generator sinkron magnet permanen banyak digunakan untuk berbagai
aplikasi, seperti mesin elektrik, pompa, kipas, kontrol katup, hingga peralatan
industri. Tetapi untuk saat ini, pengembangan generator sinkron magnet permanen
banyak diaplikasikan sebagai pembangkit energi listrik terbarukan (menggunakan
tenaga alam) yang handal dan berbiaya rendah.
Secara garis besar, generator sinkron magnet permanen dibagi menjadi dua
jenis bila dilihat dari fluks magnet yang dihasilkan, yaitu :
Generator magnet permanen dengan fluks radial/Generator MPFR (Radial
Flux Permanent Magnet Generator)
Generator magnet permanen dengan fluks aksial/Generator MPFA (Axial
Flux Permanent Magnet Generator)
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
20
Universitas Indonesia
Pada skripsi ini, hanya membahas mengenai generator sinkron magnet
permanen, fluks aksial dengan rotor berbentuk piringan (cakram). Generator
tersebut dikenal juga dengan generator piringan dan merupakan alternatif yang
menarik selain generator silindris radial karena bentuknya yang pipih, ringkas dan
mampu menghasilkan daya output yang tinggi.
3.2 Topologi dan Geometri
Bila dilihat secara konstruksi, generator MPFA dapat tersusun dalam
bentuk satu sisi atau sisi ganda, dengan atau tanpa slot jangkar, dengan atau tanpa
inti jangkar, dengan rotor magnet permanen internal atau eksternal, dan dengan
magnet permanen surface-mounted atau interior.
Berbagai macam topologi generator MPFA dapat dikelompokkan sebagai
berikut :
Generator MPFA satu sisi
Dengan slot stator (Gambar 3.1a)
Dengan stator tanpa slot
Dengan stator kutub tonjol atau kutub sepatu
Generator MPFA dua sisi
Dengan stator internal (Gambar 3.1b)
Dengan slot stator
Dengan stator tanpa slot
Dengan stator inti besi
Dengan stator tanpa inti (Gambar 3.1d)
Keduanya tanpa inti rotor dan stator
Dengan stator kutub menonjol
Dengan rotor internal (Gambar 3.1c)
Dengan slot stator
Dengan stator tanpa slot
Dengan stator kutub menonjol
Generator MPFA multi piringan
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
21
Universitas Indonesia
Gambar 3.1. Topologi dasar generator MPFA (a) generator sisi tunggal denganslot (b) generator dua sisi tanpa slot dengan stator internal diapit dua rotor magnet
permanen (c) generator dua sisi dengan slot stator dan rotor magnet permaneninternal (d) generator dua sisi dengan stator internal tanpa inti. 1-inti stator, 2-lilitan stator, 3-rotor, 4-magnet permanen, 5- bingkai, 6- bearing, 7-poros [8]
Konfigurasi generator sinkron MPFA dengan stator tanpa inti tentu akan
menghilangkan pemakaian bahan feromagnetik dari stator, seperti lapisan besi
tipis atau serbuk SMC pada stator (jangkar) sehingga pada akhirnya akan
menghilangkan arus eddy yang diakibatkan dan rugi-rugi histerisis inti. Selain itu,
karena tidak memiliki inti stator, generator sinkron MPFA dengan stator tanpa inti
mampu beroperasi pada efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan generator
konvensional.
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
22
Universitas Indonesia
3.3 Struktur dan Material Generator Sinkron MPFA
Susunan generator sinkron MPFA dapat dilihat pada Gambar 3.2
Gambar 3.2. Bagian-bagian generator sinrkon MPFA tanpa sikat dengankumparan film sebagai stator tanpa inti dan sistem eksitasi rotor magnet permanen
satu sisi [6]
3.3.1 Magnet Permanen Pada Rotor
Seperti telah diketahui, penggunaan magnet permanen pada generator
sinkron MPFA merupakan perbedaan yang paling mendasar dibanding generator
induksi. Magnet permanen itu sendiri merupakan suatu material yang memiliki
sifat kemagnetan yang tetap tanpa harus melalui proses magnetisasi terlebih
dahulu. Magnet permanen dapat menghasilkan fluks magnetik di celah udara
tanpa adanya lilitan penguat (exciter) dan disipasi daya dari sumber eksternal.
Gambar 3.3. Perbedaan kurva histerisis antara magnet permanen (magnet bahan
keras) dengan magnet induksi (magnet bahan lunak) [9]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
23
Universitas Indonesia
Salah satu karakteristik utama dari magnet permanen adalah memiliki kurva
histerisis yang lebar, oleh karena itu magnet permanen disebut juga dengan
magnet bahan keras. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.3. Kurva
histerisis merupakan kurva yang menunjukkan karakter hubungan kepadatan fluks
magnetik (B) dengan intensitas medan magnet (H) tidak linear.
Terdapat tiga material magnet permanen yang umum digunakan saat ini, yaitu :
1. Alniko, merupakan material campuran dari aluminium, nikel, kobalt, dan
besi
2. Keramik, merupakan material campuran dari ferit dan bahan lainnya,
contohnya barium ferit (BaO x 6Fe2O3) dan strontium ferit (SrO x 6Fe2O3)
3. Magnet dari material bumi langka seperti samarium kobalt (SmCo) dan
besi-boron-neodimium (NdFeB)
Berikut adalah tabel spesifikasi beberapa bahan magnet permanen :
Tabel 3.1. Spesifikasi material magnet permanen
Material
Magnet
Energi
Maksimum
Bhmax (MGOe)
Kepadatan
Fluks
Magnet
Br(G)
Daya
Tarik
Hc(Koe)
Temperatur
Kerja°C
Keramik 5 3.4 3950 2400 400
Alniko 5 3.9 10900 620 540
Alniko cetak 8 5.3 8200 1650 540
Samarium kobalt
20 (1.5)
20 9000 8000 260
Samarium kobalt
28 (2.17)
28 10500 9500 350
Neodimium N45 45 13500 10800 80
Neodimium
33UH
33 11500 10700 180
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
24
Universitas Indonesia
Sedangkan kurva histerisis beberapa bahan magnet dapat dlihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Kurva karakteristik histerisis magnetik beberapa material magnetpermanen [10]
3.3.2 Kumparan Pada Stator
Lilitan dari kumparan pada generator MPFA terbuat dari kawat tembaga
kaku dengan bentuk penampang persegi atau bundar. Konduktivitas elektrik dari
kawat tembaga pada suhu 20°C adalah 57 x 106≥ σ20 ≥ 56 x 106 S/m. Untuk kawat
aluminium σ20 ≈ 33 x 106 S/m. Konduktivitas elektrik tergantung dari temperatur
dan untuk θ - 20°C ≤ 150°C dapat diekspresikan sebagai berikut :
20
1 20
(3.1)
Dimana : α = koefisien temperatur dari resistansi elektrik, untuk kawat tembaga α
= 0.00393 1/°C dan untuk kawat aluminum α = 0.00403 1/°C
Kenaikan temperatur maksimum untuk lilitan pada generator MPFA ditentukan
oleh temperatur maksimum material selubung lilitan itu sendiri, dan dapat
dirumuskan sebagai :
maks c (3.2)
Dimana : Δϑ = kenaikan temperatur maksimum yang dibolehkan
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
25
Universitas Indonesia
Gambar 3.5. Diagram koneksi lilitan sembilan kumparan dengan tipe tiga fasadari sebuah generator sinkron MPFA [8]
Gambar 3.6. Lilitan tiga fasa, polaritas magnet permanen dan jalur gaya fluksmagnet dari generator MPFA dua sisi dengan stator tanpa inti. 1-lilitan, 2-magnet
permanen, 3-Plat stator, 4-Plat rotor [8]
3.4 Prinsip Generator Sinkron MPFA
3.4.1 Rangkaian Magnetik Generator MPFA Satu Sisi dengan Stator tanpa Inti
Desain satu sisi dari generator fluks aksial lebih sederhana dibanding
dengan desain dua sisi, tetapi memiliki kelemahan yaitu produksi putarannya
lebih rendah. Dengan adanya stator tanpa inti, maka stator akan melilit pada
struktur penahan non-magnetik dan non-konduktif sehingga rugi- rugi pada inti
stator seperti arus eddy dan histerisis dapat dihilangkan. Rugi-rugi pada magnet
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
26
Universitas Indonesia
permanen dan rotor besi dapat diabaikan. Desain generator semacam ini mampu
menghasilkan efisiensi yang cukup tinggi saat daya putaran roda penggerak nol.
Untuk menjaga kerapatan fluks diantara celah udara rotor dengan stator
tetap stabil, dibutuhkan jumlah volume magnet permanen yang lebih banyak
dibandingkan dengan inti stator mesin MPFA terlaminasi. Kumparan lilitan
ditempatkan di medan magnet yang dihasilkan oleh magnet permanen, diletakkan
di antara piringan rotor yang berlawanan. Saat bekerja pada frekuensi tinggi, rugi-
rugi arus eddy yang signifikan pada konduktor lilitan stator akan terjadi.
3.4.2 Lilitan Pada Stator Tanpa Inti
Lilitan pada stator tanpa inti dapat berbentuk dua jenis, trapesium atau
belah ketupat. Bentuk kumparan trapesium lebih umum digunakan dan biasanya
terdiri dari satu lapis kumparan. Karena akhir kumparan dapat ditekuk dalam
beberapa sudut, maka konduktor yang aktif berada dalam bidang datar yang sama
dan ujung lilitan tersebut berdekatan dalm satu kelompok. Untuk lebih jelasnya
dapat dilihat Gambar 3.7.
Pada bentuk lilitan belah ketupat, memiliki akhir lilitan yang lebih pendek
dibandingkan dengan lilitan bentuk trapesium. Sisi konduktor yang aktif disusun
miring sehingga memungkinkan untuk diletakkan saluran air pendingin di dalam
stator. Adapun kerugian utama dari lilitan berbentuk belah ketupat adalah dapat
mengurangi daya putar (torsi) dari generator.
Gambar 3.7 Lilitan tanpa inti dari sebuah generator sinkron MPFA tiga fasadengan delapan kutub dan dua rotor eksternal [8]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
27
Universitas Indonesia
3.5 Karakteristik Generator Sinkron MPFA
3.5.1 Kemampuan Daya Putar (Torsi)
Karena dimensi dari generator MPFA merupakan fungsi radius, maka torsi
elektro magnetik yang dihasilkan melebihi kontinum jari-jari, bukan berupa jari-
jari konstan sebagaimana mesin silindris. Pole pitch τ(r) dan pole width bp(r) dari
generator MPFA merupakan fungsi dari jari-jari r sehingga :
22
r rrp p (3.3)
p i irb r r
p (3.4)
Dimana αi merupakan perbandingan (rasio) antara Bavg terhadap nilai puncak Bmg
dari kerapatan fluks magnetik di celah udara :
avgi
mg
BB
atau( )
( )p
i
B rr
(3.5)
Parameter αi umumnya tidak tergantung dari jari-jari.
Kerapatan arus juga merupakan fungsi dari jari-jari r. Sehingga nilai puncak dari
kerapatan arus adalah :
1 1 1 12 2( )
a am
m N I m N IA rp r r
(3.6)
Diasumsikan kerapatan fluks magnetik pada celah udara Bmg tidak tergantung dari
jari-jari, dS = 2πr dr dan Bavg = αiBmg berdasarkan persamaan (3.3), maka torsi
elektro magnetik adalah :
21 12 ( )d x w avg i w mgdT rdF r k A r B dS k A r B r dr (3.7)
Kerapatan arus A(r) adalah muatan listrik dari seluruh stator bila stator yang
digunakan tanpa inti.
3.5.2 Fluks Magnetik
Bentuk gelombang sinusoidal yang dibangkitkan oleh magnet permanen memiliki
nilai rata-rata kerapatan fluks magnetik sebagai berikut :
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
28
Universitas Indonesia
/
/
00
1 1sin coscos/ 0
pp
avg mg mgpB B p B p
p p
1 2[coscos coscos0]mg mgB B
(3.8)
Dimana : Bmg = nilai puncak kerapatan fluks magnet pada celah udara.
Sedangkan fluks magnet yang dibangkitkan oleh setiap kutub magnet permanen
untuk bentuk gelombang nonsinusoidal Bavg = αiBmg adalah :
2 2( )2f i m out ing R
pΦ B R (3.9)
dimana :
p = jumlah pasangan kutub
Rout = 0.5Dout = merupakan jari – jari luar dari magnet permanen
Rin = 0.5Din =merupakan jari – jari dalam dari magnet permanen
Dengan menggunakan rasio diameter dalam terhadap diameter luar sebagai
berikut :
in ind
out out
R DkR D (3.10)
Maka persamaan (3.9) menjadi :
2 2(1 )8f i mg out dB DΦ k
p (3.11)
3.5.3 Torsi Elektromagnetik dan EMF
Berdasarkan persamaan (3.6) dan (3.7), torsi elektromagnetik rata-rata dari
generator MPFA adalah :
1 1 12d i a w mgdT m I N k B rdr (3.12)
Jika persamaan di atas diintegralkan dari Dout/2 hingga Din/2 terhadap r, maka
persamaan torsi elektro magnetik rata-rata dapat ditulis sebagai berikut :2 2
1 12 2
1 1 1
1/ 4 1 ( )
1/ 4 (1 )d i a w m o i
d i a w mg out d a
T m I N k B g D ut D nT m I N k B D k I
(3.13)
dimana kd berdasarkan persamaan (3.10). Dengan mensubtitusikan persamaan
(3.11) ke dalam persamaan (3.13), torsi rata-rata adalah :
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
29
Universitas Indonesia
1 1 12d w f apT m N k Φ I
(3.14)
Untuk mendapatkan torsi rms pada arus sinusoidal dan kerapatan fluks magnetik
sinusoidal, persamaan (3.14) harus dikalikan dengan koefisien 1,11, sehingga :
11 1 12d w f a t a
mT m N k I k IΦ (3.15)
dimana kt adalah konstanta torsi.
EMF saat tanpa beban dapat ditemukan dengan mendiferensiasikan gelombang
fluks harmonik pertama Φf1 = Φf sin ωt dan mengalikannya dengan N1kw1 :
11 1 1 12f
f w w f
de N k fN
ΦΦk cos t
dt (3.16)
Nilai rms persamaan (3.16) dapat diperoleh dengan membagi nilai puncak
1 12 w ffN k Φ dari EMF dengan sehingga :
1 1 1 12 2f w f w f s E sE fN k pN k kΦ Φ n n (3.17)
dimana konstanta EMF (konstanta jangkar) adalah :
1 12E w fk pN k Φ (3.17)
3.6 Karakteristik Performa Generator MPFA
Generator MPFA saat diberikan penggerak utama dan dihubungkan ke beban
elektrik akan bekerja sebagai generator sinkron tunggal (stand alone), dan
memiliki impedansi beban setiap fasa sebagai berikut :
1L L LZ R j L j
C
(3.18)
dimana :
ZL = impedansi beban
RL = resistansi beban
LL = induktansi beban
Arus input pada lilitan stator (jangkar) adalah :
22
11( )
fa
L s L
EI
R R L LC
(3.19)
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
30
Universitas Indonesia
dimana :
Ia = arus pada stator (beban)
Ef = gaya EMF per fasa
R1 = resistansi pada salah satu fasa
LS = induktansi pada stator
Tegangan yang dihasilkan pada terminal output adalah :
22
11
a L LV I R LC
(3.20)
Dimana : V1 = tegangan pada salah satu fasa
Karakteristik EMF per fasa Ef, tegangan salah satu fasa V1, arus pada stator
(beban) Ia, daya output Pout, daya input Pin, efisiensi η dan faktor daya pf = cos ϕ
terhadap kecepatan n dari generator sinkron MPFA untuk beban induktif ZL = RL
+ jωLL dapat dilihat pada Gambar 3.8. [8]
Gambar 3.8 Karakteristik generator sinkron MPFA tunggal untuk beban induktifZL = RL + jωLL : (a) EMF Ef per fasa dan tegangan fasa V1 terhadap kecepatan n,
(b) Arus beban Ia terhadap kecepatan n, (c) daya output Pout dan daya input Pinterhadap kecepatan n, (d) Efisiensi η dan faktor daya pf = cos ϕ terhadap
kecepatan n [8]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
31
Universitas Indonesia
3.6 Kurva B-HMaterial Magnet
Pada ruang hampa udara, hubungan kerapatan fluks magnet (B)
proporsional dengan intensitas medan magnet (H), nilai kerapatan fluks pada
ruang hampa udara dihitung dengan persamaan :
v oB μ H (3.21)
Sedangkan nilai kerapatan fluks pada material dihitung dengan persamaan :
o rB μ μ H (3.22)
dimana :
Bv = kerapatan fluks pada ruang hampa udara (T)
B = kerapatan fluks (T)
µo = konstanta magnet (= 4π x 10-7 henry/m)
µr = relative permeability dari material
H = intensitas medan magnet (A/m)
Relative permeability µr adalah perbandingan kerapatan fluks pada
material terhadap kerapatan fluks yang dihasilkan pada ruang hampa udara pada
intensitas medan magnet yang sama. Nilai µr tidak konstan, tetapi bervariasi
terhadap kerapatan fluks pada material. Konsekuensinya hubungan antara B dan H
tidak linear, sehingga persamaan 3.22 jarang digunakan dalam prakteknya.
Hubungan B dan H biasanya digambarkan dengan kurva. [2]
Gambar 3.9. Kurva B-H saturasi dari 3 material magnet [2]
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
32Universitas Indonesia
BAB IVSIMULASI DESAIN ROTOR GENERATOR SINKRON MPFA
JENIS CAKRAM
Parameter yang dioptimasi pada skripsi ini adalah jarak antar magnet
permanen (Xmp).
Gambar 4.1. Algoritma studi desain rotor GSMPFA
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
33
Universitas Indonesia
Analisis dilakukan dengan metode pendekatan matematis dan gambar.
Pendekatan gambar menggunakan perangkat lunak FEMM 4.2 untuk membantu
analisis parameter terhadap distribusi kerapatan fluks dan optimasinya pada rotor
generator sinkron MPFA jenis cakram.
4.1 Pengaruh Jenis Material Magnet Permanen Terhadap Distribusi
Kerapatan Fluks (B) Pada Celah Udara (air gap)
Pengaruh jenis material magnet permanen terhadap distribusi kerapatan
fluks bisa dilihat pada Gambar 4.2 dan Gambar 4.3. Dengan menggunakan ukuran
dan jarak antar magnet yang sama, nilai kerapatan fluks dengan menggunakan
magnet permanen Alnico 5 (Gambar 4.2) lebih rendah dibandingkan
menggunakan magnet permanen Ceramic 5 (Gambar 4.3).
Gambar 4.2 Distribusi kerapatan fluks material magnet permanenAlnico 5
Gambar 4.3 Distribusi kerapatan fluks material magnet permanen Ceramic 5
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
34
Universitas Indonesia
Perbedaan distribusi fluks ini disebabkan oleh nilai B-H dari masing-
masing magnet permanen. Selain itu jenis material magnet yang berbeda juga
mempengaruhi bentuk gelombang distribusi kerapatan fluks. Hal ini juga
dipengaruhi oleh nilai B-H
Gambar 4.4 Kurva B-H magnet permanen Alnico 5
Gambar 4.5 Kurva B-H magnet permanen Ceramic 5
4.2 Pengaruh Lebar Celah Udara (g) Terhadap Distribusi Kerapatan Fluks
(B) Pada Celah Udara (air gap)
Lebar celah udara sangat berpengaruh terhadap besarnya nilai puncak
kerapatan fluks pada celah udara (Bmg). Berdasarkan Persamaan 3.17 maka semua
parameter yang mempengaruhi nilai Bmg juga mempengaruhi besarnya tegangan
yang dihasilkan generator.
Nilai |Bmg| yang dihasilkan ketika lebar celah udara 1 mm (Gambar 4.6a)
adalah 0.180502 T. Nilai |Bmg| yang dihasilkan ketika lebar celah udara 2 mm
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
35
Universitas Indonesia
(Gambar 4.6b) adalah 0.135415 T. Maka semakin besar lebar celah udara, maka
semakin kecil Bmg. Sebaliknya semakin sempit lebar celah udara, maka semakin
besar Bmg. Magnet permanen yang digunakan pada simulasi FEMM 4.2 adalah
Ceramic 5, jarak antar magnet 2mm.
(a) (b)
Gambar 4.6 Perbandingan pengaruh lebar celah udara (g) terhadap nilaikerapatan fluks ; (a) g = 1mm ; (b) g = 2mm
Selain itu, lebar celah udara juga mempengaruhi bentuk gelombang
distribusi fluks. Sepeti pada Gambar 4.6. Ketika lebar celah udara 1mm, pada
puncak gelombang distribusi fluksnya terdapat ripple (Gambar 4.6a), sedangkan
ketika lebar celah udara 2mm, tidak ada ripple pada gelombang distribusi
fluksnya (Gambar 4.6b). Magnet permanen yang digunakan pada simulasi FEMM
4.2 adalah Ceramic 5, jarak antar magnet 3mm.
Gambar 4.7 Perbandingan pengaruh lebar celah udara (g) terhadap distribusikerapatan fluks ; (a) g = 1mm ; (b) g = 2mm
Bmg
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
36
Universitas Indonesia
4.3 Pengaruh Jarak Antar Magnet Permanen (Xmp) Terhadap Distribusi
Kerapatan Fluks (B) Pada Celah Udara (air gap)
Jarak antar magnet permanen pada rotor sangat berpengaruh terhadap nilai
Bmg yang dihasilkan. Pada tabel 4.1 bisa dilihat semakin besar jarak antar magnet,
nilai Bmg yang dihasilkan semakin kecil. Sebaliknya, semakin dekat jarak antar
magnet, nilai Bmg yang dihasilkan semakin besar. Tapi hal ini tidak berlaku untuk
jarak antar magnet kurang dari 1mm, nilainya bergantung dari karakteristik jenis
material.
Berdasarkan persamaan 3.8, maka semakin besar nilai Bmg, maka semakin
besar pula kerapatan fluks rata-ratanya.
Tabel 4.1. Pengaruh jarak antar magnet permanen dan lebar celah udaraterhadap nilai puncak kerapatan fluks pada celah udara
Jarak antar magnet
(mm)
Bmg (T)
g = 2mm g = 1mm
Ceramic 5 Alnico 5 Ceramic 5 Alnico 5
0 0,136002 0,041985 0,198367 0,075932
1 0,138127 0,058556 0,197914 T 0,110357
2 0,130956 0,053011 0,179049 0,089852
3 0,12295 0,048327 0,153703 0,069099
Selain itu jarak antar magnet juga sangat berpengaruh terhadap distribusi
kerapatan fluks pada celah udara. Semakin besar jarak antar magnet permanen
maka pada puncak-puncak kurva, kerapatan fluks terjadi ripple. Sebaliknya,
semakin dekat jarak antar magnet maka ripple pada tegangan keluaran generator
semakin sedikit.
Untuk mendapatkan jarak antar magnet permanen yang optimum maka
dipilih jarak antar magnet permanen yang mempunyai nilai Bmg maksimum dan
ripple pada puncak gelombang distribusi fluks minimum.
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
37
Universitas Indonesia
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.8 Perbandingan pengaruh jarak antar magnet (Xmp) terhadap distribusikerapatan fluks ; (a) Xmp = 1mm ; (b) Xmp = 3mm ; (c) Xmp = 5mm
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
38
Universitas Indonesia
4.4 Optimasi Dimensi Rotor
Dimensi generator yang lebih kecil juga membutuhkan ruangan yang lebih
kecil. Sehingga ruangan (space) yang digunakan juga lebih kecil sehingga lebih
efisien dan ekonomis. Salah satu hal yang mempengaruhi dimensi generator
sinkron MPFA adalah ukuran rotor. Ukuran rotor sendiri juga dipengaruhi oleh
beberapa hal :
Diameter magnet permanen
Jarak antar kutub magnet permanen
Diamater penampang (yoke) rotor
Gambar 4.9 Penampang (yoke) rotor magnet permanen bentuk lingkaran
Dari Gambar 4.19 diketahui rm = jari-jari magnet, jumlah magnet (2p) dan
jarak antar kutub magnet permanen (x).
36090θ θ
22p
p ; p jumlah magnet (4.1)
22
mr xb ; x jarak antar kutub magnet (4.2)
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
39
Universitas Indonesia
2
2sinθ 90sin
mr xbc c
p
(4.3)
y mr c r (4.4)
Nilai c disubtitusikan ke persamaan 4.4, sehingga didapatkan jari-jari
minimum dari yoke rotor.
(2 )902sin( )
my m
r xr rp
(4.5)
(2 )2 ;902sin( )m
y mr xD r
p
2y yD r (4.6)
;out yD D 4in y mD D r (4.7)
Dimana :
Dy = diameter penampang (yoke) rotor
Dout = diameter luar magnet permanen pada rotor
Din = diameter dalam magnet permanen pada rotor
ry = jari-jari yoke
rm = jari-jari magnet
2p = jumlah kutub magnet
p = jumlah pasangan kutub magnet
x = jarak antar kutub magnet permanen (Xmp)
4.5 Pengaruh Jarak Antar Magnet Permanen (Xmp) Terhadap Nilai
Eksitasi Fluks Magnet (Φf)
Berdasarkan persamaan 3.11, selain mempengaruhi nilai Bmg dan dimensi
rotor, jarak antar magnet juga mempengaruhi nilai eksitasi fluks magnet. Pada
tabel 4.2 dapat dilihat perbandingan beberapa jarak antar magnet. Nilai Bmg
didapatkan dengan simulasi perangkat lunak FEMM 4.2. Magnet permanen yang
digunakan adalah jenis Ceramic 5 dengan tebal 3mm dan diameter 25mm.
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
40
Universitas Indonesia
Tabel 4.2. Pengaruh jarak antar magnet permanen terhadap nilai eksitasi fluksmagnet (Φf)
mpX
(mm)
Dout
(m)
Din
(m)in
dout
DkD mgB
(T)
2avg mgB B
π
(T)
avgi
mg
BB
2 2(1 )out dD k 8 p Φf
(Wb)
0 0,075 0,025 0,333333 0,136002 0,086582 0,63662 0,527344 0,1309 0,00005667
1 0,077 0,027 0,350649 0,138127 0,087934 0,63662 0,549678 0,1309 0,00005986
2 0,079 0,029 0,367089 0,130956 0,083369 0,63662 0,571613 0,1309 0,00005893
3 0,081 0,031 0,382716 0,12295 0,078272 0,63662 0,593049 0,1309 0,00005738
4.6 Studi Kasus Rotor Generator Sinkron MPFA
Pada studi kasus desain rotor generator sinkron magnet permanen fluks
aksial jenis cakram ini digunakan magnet permanen berbentuk lingkaran, diameter
25mm dan tebal 3mm dengan permukaan datar. Jumlah magnet permanen yang
digunakan sebanyak 6 buah (3 pasang). Material yang digunakan adalah jenis
magnet permanen Ceramic 5.
Dengan menggunakan perangkat lunak FEMM 4.2 diperoleh jarak antar
magnet optimum adalah Xmp = 1mm. Dengan menggunakan persamaan 4.6
diperoleh diameter minimum penampang (yoke) rotor adalah :
(2 ) (2(12,5) 1)2 2 12,5 7790 902sin( ) 2sin( )3
my m
r xD r mmp
77 ;outD mm 77 4(12,5) 27inD mm
Dengan menggunakan persamaan 3.9 maka diperoleh eksitasi fluks
magnet pada tiap kutubnya sebesar :
2 2 22 0,63662)(0,138127) 0,077 0,3506498
(1 ) ( (18 3
).f i mg out dB k
pΦ D
0,00005986fΦ Wb
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
41Universitas Indonesia
KESIMPULAN
Pada studi desain rotor generator sinkron magnet permanen fluks aksial
jenis cakram ini bisa diambil kesimpulan :
1. Puncak gelombang distribusi kerapatan fluks akan mengalami ripple
karena pengaruh lebar celah udara (air gap) dan jarak antar magnet
permanen.
2. Jarak optimum antar magnet permanen tergantung pada jenis material
magnet permanen dan lebar celah udara.
3. Jarak optimum antar magnet permanen adalah ketika nilai Bmg nya
maksimum dan ripple pada puncak gelombang distribusi fluks minimum.
4. Dalam studi kasus ini, untuk magnet permanen jenis Ceramic 5, tebal
3mm, diameter 25mm, lebar celah udara (air gap) 2mm dan jumlah
magnet permanen 6 buah (3 pasangan kutub) maka didapatkan :
- jarak antar magnet optimum Xmp = 1mm
- diameter luar magnet permanen pada rotor Dout =77mm
- diameter dalam magnet permanen pada rotor Din =27mm
- eksitasi fluks magnet pada tiap kutub 0,00005986fΦ Wb
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012
42Universitas Indonesia
DAFTAR PUSTAKA
[1] Utomo, Agus R., Mesin Sinkron, Diktat Kuliah Teknik Tenaga Listrik,Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia.
[2] Wildi, Theodore. Electrical Machines, Drives, and Power System ThirdEdition, New Jersey: Prentice-Hall International, Inc., 1997.
[3] Pane, Ennopati. Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan PermanentMagnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron di PLTD PT.Manunggal Wiratama, Medan: Universitas Sumatera Utara, 2009.
[4] Bab II Generator Sinkronhttp://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/22352/4/Chapter%20II.pdfdiakses pada tanggal 20 Desember 2011
[5] Tiantoro, Feliks A., Proposal Kerja Praktek Analisis Sistem Eksitasi PadaGenerator Sinkron Tiga Fasa 67MVA di PT Indonesia Power PLTAPanglima Besar Soedirman Unit Bisnis Pembangkitan MRICABanjarnegara, Purwokerto: Universitas Jenderal Soedirman, 2009
[6] Zuhal. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Jakarta: PT.Gramedia Pustaka Utama, 1995.
[7] Tcheslavski, Gleb V., Lecture 7: SyncrhonousMachines,http://ee.lamar.edu/gleb/Index.htm diakses pada tanggal 12 September 2011.
[8] J.F. Gieras, R. Wang dan M.J. Kamper. Axial Flux Permanent MagnetBrushless Machine, Second Edition. The Netherlands : Springer, 2008
[9] Electronics Tutorial About Magnetic Hysteresi,http://www.electronics-tutorials.ws/electromagnetism/magnetic-hysteresis.html diakses pada tanggal 12 September 2011.
[10] MMC Lecture7-Hard Magnetic Materials,http://www.scribd.com/doc/55083001/MMC-Lecture7diakses pada tanggal 12 September 2011.
[11] Aliansyah, Eduward. Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron TigaPhasa Dengan Rotor Silinder, Medan: Universitas Sumatera Utara, 2008.
[12] Generator Listrik Sederhana,http://tonytaufik.wordpress.com/generator-listrik-sederhana/diakses pada tanggal 12 September 2011.
Studi desain..., Edo Adhi Fitradhana, FT UI, 2012